Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Оценка текущего состояния науки и техники в области сушки рудных концентратов 11
1.1. Текущее состояние науки и техники в изучаемом вопросе области сушки рудных концентратов 11
1.2. Пути развития науки и техники в области сушки рудных концентратов 28
1.3. Выводы по главе 29
Глава II. Теоретическое исследование факторов, влияющих на сыпучесть рудных концентратов 31
2.1. Угол естественного откоса подвергаемого термической сушке рудного концентрата 31
2.2. Роль капиллярных явлений в приращении угла естественного откоса дисперсного материала и факторы, влияющие на их интенсивность 37
2.3. Теоретическое изыскание факторов, влияющих на величину коэффициента приращения угла естественного откоса 41
2.4. Определение удельной поверхности и средневзвешенного размера частиц рудного концентрата 43
2.5. Определение гидрофильности рудного концентрата 49
2.6. Значение кинетики сушки рудного концентрата в вопросах термической сушки 51
2.7. Выводы по главе 56
Глава III. Экспериментальное исследование факторов, влияющих на сыпучесть рудных концентратов
3.1. Краткая характеристика объектов исследования 59
3.2. Исследование кинетики сушки исследуемых проб рудных концентратов 63
3.3. Исследование зависимостей угла естественного откоса исследуемых проб рудных концентратов от их влажности 67
3.4. Исследование удельной поверхности и средневзвешенного размера частиц исследуемых проб рудных концентратов 84
3.5. Исследование гидрофильности исследуемых проб рудных концентратов 93
3.6. Единая зависимость коэффициента изменения угла естественного откоса от гидрофильности, температуры и гранулометрическо 3
го состава рудного концентрата 95
3.7. Физическое моделирование распределения рудного концентрата по сечению барабана 98
3.8. Выводы по главе 103
Глава IV. Применение полученных результатов исследований в усовершенствовании внутренних устройств сушильных барабанов 105
4.1. Усовершенствование внутренних устройств барабанной сушилки на примере сушильного отделения Малышевского рудоуправления 105
4.2. Влияние повышенного расхода топлива на техническое состояние сушильного барабана 106
4.3. Влияние повышенного уноса рудного концентрата на техническое состояние газоочистной системы 109
4.4. Влияние повышенного уноса рудного концентрата на запыленность и загазованность цеха 111
4.5. Проектирование сдвоенных лопаток при усовершенствовании внутренних устройств барабанной сушилки 111
4.6. Расчёт производительности и массового расхода топлива сушильного барабана с усовершенствованными внутренними устройствами 115
4.7. Выводы по главе 124
Заключение 126
Библиографический список
- Пути развития науки и техники в области сушки рудных концентратов
- Определение удельной поверхности и средневзвешенного размера частиц рудного концентрата
- Исследование зависимостей угла естественного откоса исследуемых проб рудных концентратов от их влажности
- Влияние повышенного расхода топлива на техническое состояние сушильного барабана
Пути развития науки и техники в области сушки рудных концентратов
Для оценки текущего состояния науки и техники в области термической сушки сыпучих материалов проведены библиографический и патентный поиски. В результате проведения патентно-информационных исследований, глубиной 20 лет (1995 – 2015г.г.) на базе фондов Забайкальского государственного университета – отдел интеллектуальной собственности, научная библиотека, методический кабинет кафедры ОПИ и ВС, фондов Читинской Областной Пушкинской библиотеки, а также патентных баз данных в и сети Internet было выявлено свыше 100 изобретений.
Согласно результатам поиска, что лидирующими в области сушки продуктов обогащения полезных ископаемых являются Россия и Англия.
В России из работ учёных, занимающихся проблемами сушки, наибольшую известность получили работы: - Антипового Сергея Тихоновича. Занимая должность заведующего кафедрой в Воронежском государственном университете инженерных техно логий, он руководил и лично участвовал в большом количестве исследований процессов сушки и заморозки широкого спектра сыпучих, твёрдых и пасто образных материалов. Академик Международной академии холода, почет ный работник высшего профессионального образования РФ, заслуженный изобретатель РФ; - Долматовой Марии Олеговной. Является автором широко известной работы на тему сушки асбестовых руд и сульфидных концентратов [23, 24]; - Казанского М.Ф. Экспериментальным путем подтвердил и несколько уточнил классификацию видов связи влаги с твёрдой поверхностью, предложенную П.А. Ребиндером. Является открывателем многих зависимостей и законов, связанных с кинетикой сушки; - Коновалова В.И. Выполнил лично и руководил многочисленными работами по изучению кинетики сушки, вывел несколько всемирно извест 12 ных классификаций материалов по характеру протекания сушки; - Кудрявцева Валентина Александровича. Он в своих научных работах ведёт разработки сушильных аппаратов с параметрами, изменяемыми в зависимости от угла естественного откоса высушиваемых материалов; - Лыкова А.В. Проводил работы по обобщению и классификации кривых кинетики сушки; - Сажина Виктора Борисовича [63]. Имеет свыше 200 публикаций на тему сушки сыпучих материалов, главным образом рудных и угольных концентратов. Написал широко известную монографию «Основы техники сушки»; - Шишацкого Юлиана Ивановича. Он исследовал кинетику сушки и химические процессы во время сушки многочисленных растительных продуктов народного хозяйства; - Руденко Константина Герасимовича. Является автором многочисленных научных работ, а также учебных пособий по обезвоживанию и пылеулавливанию, получивших широкое признание; - Шемаханова Михаила Михайловича. Выполнил многочисленные исследовательские работы по усовершенствованию техники и технологии термической сушки.
По результатам поиска сделан вывод, что основные усовершенствования процесса сушки продуктов обогащения полезных ископаемых направлены на: - оптимизацию процесса перемешивания высушиваемого материала; - усовершенствование процесса прохождения сушильного агента че рез слой материала; -применение нетрадиционных технических приёмов, например, электромагнитные, акустические воздействия высокой интенсивности, или кратковременное охлаждение.
В сущности, два первых направления сильно перекликаются между собой как в случае сушки в барабанной сушилке, так и при применении сушилок кипящего слоя, вибрационных или распылительных. Также применяются альтернативные методы теплоподвода, например микроволновый. Значительно реже встречаются технические решения из области акустической, вибрационной, дуговой сушки. Идут исследования в направлении применения кратковременного охлаждения в течение процесса сушки.
Помимо термической сушки не исчезает интерес к радиометрической, инфракрасной [107, 124] и микроволновой [26, 126] сушке сыпучих материалов. Научно-производственное объединение "ИРЕА" выдвигает техническое решение с предложением размещать в сушилке соосно барабану в его центре ИК-излучатель. Монолаков В.А. и Юдин В.В., авторы заявки на изобретение №92007211 предлагают с целью интенсификации процесса сушки микроволновым электромагнитным излучением разместить высокочастотные излучатели в верхней части неподвижного кожуха, внутри которого находится вращающийся барабан.
По причине высокой стоимости и технической сложности радиометрических и инфракрасных сушилок, данные методы в настоящее время не получают распространения в горно-металлургической промышленности. Но при этом эти способы сушки успешно применяются для сушки в пищевой [103] и медицинской промышленностях.
Распылительные сушилки [9] также не нашли широкого применения для обезвоживания продуктов обогащения полезных ископаемых, поскольку гораздо более энергетически целесообразно для суспензий оказалось применять сгущение и фильтрацию, а не термическую сушку. Тем не менее, распылительные сушилки находят своего потребителя в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Вакуумные сушилки [44] находят применение, в основном, для сушки древесины. Существуют также экспериментальные установки для сушки капиллярно-пористых материалов по вакуумно-импульсной технологии [17], но распространения они не получили в силу сложности в обслуживании и эксплуатации.
Применение для сушки рудных концентратов вихревых сушилок представляется маловероятным, так как велика возможность высокого уноса концентрата.
То есть, барабанные сушилки по-прежнему являются наиболее широко применяющимися для сушки рудных концентратов. Оценка состояния работающих сушильных отделений на работающих фабриках показала, что в настоящее время весьма актуальной проблемой барабанных сушилок является недостаточно полное использование поперечного сечения барабана. На рис. 1 представлено сечение барабана, в котором возникла зона, не закрытая завесой падающего материала (А).
Определение удельной поверхности и средневзвешенного размера частиц рудного концентрата
Но известно, что в реальных условиях угол естественного откоса обычно превышает угол внутреннего трения сыпучего материала. Это обусловлено тем, что в реальных условиях присутствует незначительная влажность сыпучего материала. Даже если проба, высушена до абсолютно сухого состояния, как правило, за непродолжительный период времени она увлажняется парами воды, содержащимися в окружающем воздухе, что приводит к появлению дополнительных связующих капиллярных сил в массиве сыпучего материала [72].
Причём, связующая капиллярная сила будет пропорционально расти при повышении влажности, пока материал не приобретёт текучие свойства (перейдя в состояние пульпы).
Поскольку прирост связующих капиллярных сил в массиве сыпучего материала прямо пропорционален приросту влажности, ожидается, что эта зависимость является линейной и имеет вид функции y=x a. Следовательно, ожидается, что с учётом капиллярных сил зависимость угла естественного откоса сыпучего материала от его влажности подчиняется линейной функции ст.влаж. = вн.тр. + W B, (15) где ст.влаж. – статический угол естественного откоса влажного рудного концентрата, град; W– влажность испытуемого сыпучего материала, %; вн.тр. – угол внутреннего трения сыпучего материала, град;
B – коэффициент, отражающий зависимость угла естественного откоса сыпучего материала от его влажности и устанавливаемый опытным путём для каждого сыпучего материала (далее по тексту "коэффициент изменения угла естественного откоса") [72].
При исследовании же угла естественного откоса в вопросах сушки, если перед замером высушить пробу до воздушно-сухого состояния, уравнение может быть представлено в следующем виде: ст.влаж. = ст.сух +W B, (16) где ст.влаж. – статический угол естественного откоса влажного рудного концентрата, град; ст.сух – статический угол естественного откоса сухого рудного концентрата, град. Далее, для сокращения объёма экспериментальной работы при проектировании сушильных барабанов и проведения проектных работ в более краткие сроки, необходимо выявить факторы, влияющие на значение коэффициента изменения угла естественного откоса (16).
Под капиллярными явлениями понимается совокупность явлений, обусловленных действием межфазного поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. В рамках данной работы это вода, сушильный агент и твёрдая поверхность частиц рудного концентрата. К капиллярным явлениям также следует относить искривление поверхности жидкости, граничащей с газом, собственным паром или другой жидкостью.
Капиллярные явления обусловлены тем, что под воздействием поверхностного натяжения ограниченный объём жидкости стремится сократить свободную энергию, принимая форму шара, то есть занять необходимый объём с минимальной поверхностью. Так, например, при дроблении жидкости в газе образуются капли именно сферической формы
Но в условиях наличия существенной силы гравитации жидкость быстро принимает форму сосуда, в который она налита. В этом случае жидкость стремится образовать гладкую поверхность. Из этого следует, что капиллярные явления могут проявить себя в полной мере только тогда, когда размеры сосуда, достаточно малы, чтобы интенсивность сил поверхностного натяжения стала существенно большей, чем сила тяжести. То же самое касается и размеров частиц влажного сыпучего материала. Они должны быть достаточно малы, чтобы капиллярные силы начали оказывать на них более существенное влияние, чем их вес.
Кроме геометрических размеров частиц при рассмотрении вопросов, связанных с капиллярными явлениями в массиве сыпучего материала, существенное значение имеет гидрофильность или гидрофобность частиц, с поверхностью которых взаимодействует жидкость.
Гидрофильность твёрдого тела следует понимать как более интенсивное взаимодействие молекул жидкости с поверхностью твёрдого тела, чем с молекулами другой жидкости или газа. Если жидкость в сосуде имеет большую площадь поверхности, то жидкость поднимается по стенке сосуда под воздействием разности сил межмолекулярного взаимодействия, искривляя примыкающий к стенке сосуда небольшой участок поверхности жидкости.
Но если сближать плоские стенки сосуда с жидкостью, то наступит момент, когда зоны искривления перекроются, и образуется мениск - полностью искривлённая поверхность. Сосуд с таким или меньшим расстоянием между стенками называется капилляром. В капилляре в условиях смачивания под вогнутым мениском давление понижено, и жидкость поднимается, пока вес столба жидкости не уравновесит капиллярное давление, направленное по касательной к мениску от его края.
Исследование зависимостей угла естественного откоса исследуемых проб рудных концентратов от их влажности
Уплотнение торцов барабана сушилки состоит из полос транспортер ной ленты одной стороной жестко закрепленных на неподвижных частях камеры, а другой стороной облегающих вращающийся барабан сушилки. В связи с высокой температурой барабана и прямого попадания «языков» пламени факела горения топлива в зазор между каркасом топки и барабаном транспортерная лента быстро со стороны топки («горячей» части барабана) теряет свои эластичные свойства и высыхая, разрушается, т.е. практически сгорает. Срок службы уплотнения «горячей» части барабана составляет от 1 до 12 месяцев, а на «холодной» части барабана до 24 месяцев.
Из вышеприведённого следует, что вследствие неэффективного теплообмена увеличен расход топлива, устройства барабана, близкие к загру 109 зочной камере преждевременно выходят из строя вследствие повышенной температуры. Влияние повышенного уноса рудного концентрата на техническое состояние газоочистной системы
Стадия сухой очистки осуществляется в двух параллельно установленных циклонах ЦН-15-1000. Основной проблемой при эксплуатации циклонов в сушильном отделении является активный износ корпуса и выходных патрубков (рис. 72). в результате уноса значительной части сухого концентрата и высоких скоростей газовых потоков.
Применение металлической футеровки внутренней поверхностей рабочих поверхностей сильно затруднено в силу малого диаметра циклона. Кроме того, применение футеровки внутренней рабочей поверхности циклона (впервые в практике эксплуатации подобных установок) не снимает с повестки дня данную проблему, т.к. основная часть футеровки продолжает функционировать, а износ поверхности циклона продолжается только в пробиваемых абразивными частицами щелях между плитами футеровки.
Кроме подвергающихся более жёстким условиям эксплуатации циклонов, подвергаются абразивному износу и другие точки газоочистного тракта. Например, осадительно-разгрузочная камера сушилки (рис.73)
То есть, практикой эксплуатации циклонных установок установлено, что снижение объёма уноса частиц высушиваемого материала крайне положительно скажется на состоянии и сроке службы устройств газоочистного тракта.
Из вышеприведённого следует, что вследствие снижения площади и равномерности завесы падающего материала имеет место значительный унос частиц концентрата, причём уносимыми абразивными частицами разрушаются стенки газоходов, а также возрастает нагрузка на газоочистную систему.
Практика эксплуатации сушильного отделения показала, что следствием вышеперечисленных проблем является общий негативный фактор. Это запылённость и загазованность сушильного отделения, одними из основных причин которой являются: -разрушенное вследствие повышенной температуры уплотнение торца «горячей» части барабана сушилки с каркасом топки; -протёртые абразивным потоком, появившимся вследствие значительного уноса сухого концентрата, стенки газоходов и циклонов.
Последствиями высокой запылённости и загазованности являются неудовлетворительные условия труда, и как следствие, его производительность. Очень негативно низкие качества воздуха для дыхания сказывается на состоянии здоровья персонала сушильного отделения. В комплексе это приводит к значительной текучке кадров, что негативно сказывается на общей квалификации штата сушильного отделения.
Проектирование сдвоенных лопаток при усовершенствовании внутренних устройств барабанной сушилки
Принцип действия предлагаемых внутренних устройств показан на рис. 74. Данная конструкция имеет набор из двух типов лопаток, каждая из которых установлена под углом, определённым на основании выражения (26). Лопатки, расположенные ближе к центру сечения барабана, обеспечивают завесу материала в правой части сечения барабана (рис. 74 а). Лопатки же, расположенные ближе к периферии сечения барабана, обеспечивают завесу материала в левой части сечения барабана (рис. 74 б). Такое расположение лопаток барабана обеспечивает полное покрытие сечения барабана завесой высушиваемого материала (рис. 74 в) [76, 87].
Данная конструкция является усовершенствованной версией конструкции, разработанной А.Н. Храмовым (Патент РФ№ 2444686). Предлагаемая конструкция отличается тем, что в ней учитывается, что угол естествен 112 ного откоса сыпучего материала во влажном состоянии увеличивается под действием капиллярных сил, действующих в пространстве между частичками, заполненном капиллярно связанной влагой. Также учитывается, что влажность, от которой напрямую зависит интенсивность действия капиллярных сил, меняется с течением сушки. То есть угол наклона лопаток обоих наборов изменяется по длине барабана [74].
В таком виде данная диаграмма показывает влажность материала в каждой точке длины рабочей части барабана (рис. 75).
VI. Изготовить лопатки с углом наклонна непрерывно плавно меняющимся по длине барабана является достаточно сложной технической задачей. Поэтому изменение угла наклона лопаток рациональнее выполнить ступенчатым. В этом случае необходимо выбрать число ступеней изменения угла наклона лопаток. С увеличением числа ступеней увеличивается точность соответствия угла наклона лопаток углу естественного откоса материала, но при этом увеличивается трудоёмкость изготовления внутренних устройств. Примем число ступеней равным трём, так как результаты моделирования завесы на лабораторной установке на пробе МПК 1.0 показывают, что такое число ступеней изменения угла наклона лопаток достаточно для обеспечения высокой площади завесы.
Влияние повышенного расхода топлива на техническое состояние сушильного барабана
Проведённый расчёт показал, что после усовершенствования внутренних устройств сушильного барабана снизилась средняя ширина струи рудного концентрата, падающего с лопасти вследствие увеличения числа струй, что в целом положительно сказалось на равномерности и полноте распределения концентрата по сечению барабана. Вследствие этого увеличится эффективность конвективного теплообмена. При увеличении количества тепла получаемого концентратом от сушильного агента снизится количество тепла, выходящего из сушилки с отходящими газами, что положительно скажется на сроке службы уплотнений разгрузочной камеры. Кроме того, расчёт показал, что значительно снизится средняя скорость газа относительно падающих частиц материала, что несомненно приведёт к снижению уноса рудного концентрата и положительно скажется на сроке службы дымоходов, системы газоочистки и дымососов, а также на санитарно-гигиенических условиях труда в сушильном отделении. Согласно проведённому расчёту для достижения производительности по высушенному материалу 2,1 кг/с при влажности исходного питания сушилки 14% и требуемой влажности после сушки 1% массовый расход топлива в топке сушилки снизится с 0,056 кг/с до 0,044кг/с.
Проведён расчёт затрат на усовершенствование сушильного барабана. При длине лопастных внутренних устройств 10 метров и числе лопаток в сечении барабана 12 общая длина швов, которыми приварены лопатки к барабану составит 120 метров. Длина швов для изготовления лопаток составит 240 метров. Общая длина сварных швов 360 метров. При цене 500 руб. за 1м сварного шва стоимость сварных работ составит 180 000 руб. [89] Затраты на демонтаж лопаток при цене 100 руб. за метр составят 12000 руб. Количество листового 15мм металла на изготовление новых лопаток составит 3 тонны. Стоимость такого количества листового металла составит 60000 руб. Итого затраты на усовершенствование одного барабана составят 252000 руб. Затраты на шесть барабанов составят 1 512 000 руб.
Учитывая, что каждая сушилка работает 9 часов в сутки 24 дня в месяц, экономия (0,056-0,044=0,011кг/с) на шесть сушилок составит около 9,3 тонн угля в месяц. При цене 1500 руб. за тонну угля дисконтированный доход в год составит 167961 руб. на один барабан. На шесть барабанов эта сумма составит 1 007 770 руб.
Также при сокращении уноса материала сократятся расходы на ремонт трубопроводов и циклонов. Практика усовершенствования сушильного отделения ГОКа «Бор-Ундур» показывает, что после усовершенствования частота капитального ремонта трубопроводов и циклонов существенно снизилась. Укрупнённая оценка позволяет ожидать избегания протирания стенок трубопроводов абразивными потоками в количестве около 1,5 м2 в год. При этом предотвращённые затраты на ликвидацию этих дефектов составят около 30 000 руб. в год.
Общая выгода от усовершенствования составит около 1 037 770 руб. в год. За полтора года и три месяца усовершенствование окупится и начнёт приносить доход по 1 037 770 руб. в год. Кроме того, значительно увеличится срок службы дымососов, циклонов, не нуждающихся более в частом ремон 124 те, уплотнительных колец и внутренних устройств барабана [82], а также пропадёт значительная запылённость и загазованность, негативно сказывающихся на качестве работы и самочувствии персонала. Как следствие, снизится текучесть кадров.
Технико-экономические показатели сушки полевошпатового концентрата на обогатительной фабрике Малышевского рудоуправления при использовании усовершенствованных внутренних устройств барабанной сушилки приведены в таблице 25.
Технико-экономические показатели усовершенствования на примере сушильного отделения обогатительной фабрики Малышевского рудоуправления Наименование параметра Числовое значение до усовер-шенствова-ния после усо-вершенство-вания Угол поворота барабана с момента выхода лопасти из завала до момента полного ссыпа-ния материала с лопасти, рад 3,174 2,1
Количество потребляемого топлива, кг/с 0,056 0,044 Затраты на топливо, руб./мес. 65318,4 51321,6 Общая экономия от усовершенствования шести барабанов, руб/год. - 1007770 Предотвращённые затраты на ликвидацию дефектов дымоходов составят, руб/год. - 30 000 Общий доход от усовершенствования шести барабанов, руб/год. - 1 037 770 Дисконтированный доход от усовершенствования сушильных барабанов, руб. - 2 639 080
Согласно укрупнённому технико-экономическому прогнозу применение результатов научно-исследовательской работы при усовершенствовании внутренних устройств барабанных сушилок позволит специалистам при наличии весьма малой априорной информации рассчитать угол естественного откоса высушиваемого рудного концентрата. Благодаря этому становится возможным практически без проведения опытных работ спроектировать усовершенствованные внутренние устройства барабанной сушилки с учётом кинетики сушки и зависимости угла естественного откоса высушиваемого материала от его влажности. Это позволит при минимальных затратах на проектирование и усовершенствование барабана снизить расход топлива, температуру отходящих газов за счёт более эффективного теплообмена между агентом и высушиваемым материалом, износ уплотнений барабана, а также унос материала за счёт снижения скорости сушильного агента.
